서 론
일반적으로 플라스틱 온실은 서까래와 도리를 결속하여 기본 골조를 형성하고, 폭과 높이의 증가에 따라 기둥과 중방 등을 추가하여 구조적인 강성을 확보한다. 연동형이나 광폭형 플라스틱 온실의 경우 기둥과 중방에서 외력에 대한 하중을 상당 부분 부담하고 있지만 기본적으로 서까래와 도리의 결속이 없다면 전체 구조물은 그외형을 유지할 수 없다. 서까래와 도리의 교차 결속부가 느슨해지거나 뒤틀리지 않게 직각을 유지하며 결속함으로써, 플라스틱 온실의 구조적인 강성을 유지할 수 있도록 해주는 부품을 죔쇠라 한다. 이는 조립에 의해 초기 결속력이 도입되며 그에 따라 발생하는 서까래-도리 부재간의 압축력에 의해 바람과 눈 등의 외력에 저항하게 된다. 더욱이 국내 플라스틱 필름 온실의 대부분을 차지하는 단동형 플라스틱 온실의 골조는 서까래와 도리만으로 이루어져 있기 때문에, 강관 교차부에서의 결속력이 구조적으로 매우 중요하게 작용한다고 볼 수 있다.
교차부 결속에 사용되는 죔쇠의 형태는 매우 다양하며 강관을 고정하는 결속 방법 및 부품 재료에 따라 죔쇠의 고유 명칭이 부여되고 있다. 죔쇠의 형태에 따라 결속성능이 결정되며 이는 플라스틱 온실의 전체적인 구조성능에도 영향을 미친다. 이러한 죔쇠의 중요성으로 인하여 농림축산식품부와 농촌진흥청은 원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서 고시(이하, 내재해형 규격서)에 내재해형 죔쇠의 안전 기준을 신설하였다(MAF & RDA, 2007). 그러나 죔쇠의 결속력에 대한 최소한의 안전 기준만 있을 뿐 시험 방법에 대한 기준이 없어 유통 중이거나 개발 중인 죔쇠의 적합여부를 판단하기에는 어려움이 있었다. 그 후 2014년 내재해형 규격서의 개정 시 내재해형 죔쇠의 강도기준 외에 시험방법을 추가함으로써 죔쇠의 품질관리 강화를 위한 방안을 마련하였다(MAFRA & RDA, 2014). 그러나 플라스틱 온실 시공에서 죔쇠는 그 개수가 보통 수 백 개 이상이어서 작업시간과 비용 문제 때문에 농업인이나 생산업체에서는 주로 시공의 용이성이나 경제성에 초점을 맞추고 있으며, 죔쇠의 성능에 대한 평가나 품질의 균일화 등에 대한 노력은 많지 않은 실정이다.
죔쇠와 관련한 이전의 연구들은 죔쇠로 결속된 플라스틱 온실 구조물의 거동 평가와 죔쇠의 결속력 평가를 위한 실험과 해석에 관한 비교·분석들이 주를 이루고 있다. Ogawa 등(1990)은 선형죔쇠와 판형죔쇠에 대한 미끄럼 저항력 실험을 하여 선형죔쇠보다 판형죔쇠의 저항력이 더 크다는 결과를 도출하였다. Ryu 등(2012)은 현장 재하실험과 수치해석을 통해 플라스틱 온실 구조물에서 부재 교차결합 조건이 전체 구조물의 거동에 영향을 미치는 것으로 보고하였다. Ryu 등 (2014), Lee와 Shin (2014)과 Choi 등(2016)은 죔쇠의 미끄럼 저항력을 측정하고, 이를 내재해형 규격서에 규정되어 있는 기준과 비교하였다.
그 밖에 죔쇠에 대한 연구들은 대형 구조물에 사용하는 강관의 결속 또는 프레임 접합에 관한 연구들 (Gutierrez 등, 2011; Iannoe 등, 2011; Liu 등, 2016)로 플라스틱 온실과 같은 경량 철골 구조물에 적용하기에는 무리가 있다. 또한 여러 선행 연구들이 죔쇠 자체의 성능이나 전체 구조물에 대한 영향을 평가하였으나 죔쇠의 성능을 평가하기 위한 시험편의 구속조건에 대한 연구는 찾아보기 어렵다. 유일한 죔쇠 관련 규정인 내재해형 규격서에서도 시험장치와 시험편, 하중재하속도 및 결과의 분석 등에 대해 기술하고 있으나 시험편의 구속방법에 대해서는 명확히 규정하고 있지 않다.
본 연구에서는 죔쇠의 성능 중 미끄럼 저항력에 대한 평가 방법을 구체화하고 신뢰성을 높이기 위해 시험편의 구속조건을 실험변수로 시험편 구속조건이 미끄럼 저항력에 미치는 영향력을 통계적인 방법으로 비교·분석하였다.
재료 및 방법
1. 실험개요
본 실험에서는 Fig. 1에 보는 바와 같이 플라스틱 온실 서까래-도리 교차 결속부만을 대상으로, 판형죔쇠로 결속된 시험편을 구속조건별로 35개 제작하여 각 조건별 미끄럼 저항력을 측정하고 구속조건이 결과 값에 미치는 영향을 고찰하였다. 표본 수는 식(1)에 의해서 산정하였으며, 표준편차와 허용오차는 예비 실험결과를 바탕으로 각각 300N, 100N으로 가정하였다.
여기서, σ는 가정한 표준편차, E는 가정한 허용오차, Zα⁄2는 신뢰구간 95%의 표준정규분포표 값
시험편에 사용된 서까래와 도리의 강관 외경은 각각 31.8mm, 25.4mm이며, 두께는 모두 1.5mm이다. 강관은 공칭항복강도와 인장강도가 각각 295MPa, 400MPa 이상인 KS D 3760의 SPVHS강재를 사용하였으며 고정용 지그의 높이를 고려하여 길이는 300mm로 절단하였다.
시험편의 조립은 먼저 판형죔쇠의 U자형 홈에 서까래 강관을 수직으로 세워 넣고, 도리 강관을 수평으로 넣은 후, 직사각형 모양의 판을 고무망치로 타격하여 십자 형태로 체결하였다(Fig. 2(a)).
미끄럼 저항력 측정은 50kN 용량, 100mm 스트로크의 가력기에 5kN의 로드셀(DSCS, BONGSHIN)이 설치된 UTM으로 실험을 하였다(Fig. 2(b)). 하중 재하는 내재해형 규격서에 명시된 8.33E-05m·s-1 속도(분당 5mm를 이동하는 속도)로 서까래 상단부를 가력 하였다.
2. 시험편 구속조건
판형죔쇠의 미끄럼 저항력을 잘 측정할 수 있다고 판단되는 서까래 고정-고정단, 서까래 고정-롤러단, 서까래 자유-고정단 및 서까래 자유-롤러단 네 가지 방법으로 실험을 진행하였다. 본 실험의 실험변수인 시험편의 구속조건이란 Fig. 3에서 보는바와 같이 도리 부재의 양 끝단과 서까래 부재의 한쪽 끝단에 대한 구속조건 조합이다. 즉, ‘서까래 끝단 구속조건-도리 끝단 구속조건’을 의미한다. 이를 자세히 살펴보면 다음과 같다.
2.1 서까래 고정- 고정단
서까래 고정-고정단은 Fig. 3(a)에 나타낸 것처럼 높이가 350mm인 지그 위에 판형죔쇠로 체결한 시험편를 설치하고, 서까래 상단부와 도리 양쪽을 고정하는 구속조건이다.
2.2 서까래 고정-롤러단
서까래 고정-롤러단은 서까래 고정이 서까래 고정-고정단의 구속조건과 동일하고, 도리 고정이 롤러 형태로 바뀐 것이다. 즉, 서까래 고정-고정단의 조건에서 도리의 양쪽 끝단을 롤러로 설정하였다((Fig. 3(b)).
2.3 서까래 자유-고정단
서까래 자유-고정단은 도리 고정이 서까래 고정-고정단의 방법과 동일하고, 서까래 끝단의 구속조건을 변경하였다. 서까래 상부 끝단을 자유단 상태에서 원형 판으로 수직으로 가력하는 방법이다((Fig. 3(c)).
3. 미끄럼 저항력의 산정 및 통계분석 방법
미끄럼 저항력의 산정 방법은 Fig. 4와 같다. 미끄럼저항력의 값은 내재해형 규격서에 규정하고 있는 변위 2mm일 때의 하중으로 하였다.
통계분석의 경우, 죔쇠의 미끄럼 저항력이 시험편 구속조건별로 차이가 있는지를 알아보기 위해 F-통계량을 이용한 일원분산분석(One-Way ANOVA)을 실시하였으며, P<0.05에서 유의한 차이를 검정하였다. 그리고 구속조건별 구체적인 차이를 파악하기 위해 Duncan’s LSR의 사후분석을 실시하였다. 분산분석에는 무료 통계프로그램(RStudio, ver. 0.99.879)을 이용하였다.
결과 및 고찰
각 구속조건별로 각각 35개씩 미끄럼 저항력을 반복측정한 데이터의 정규성 검정을 Shapiro-Wilk normality test로 분석하였다. Table 1에서 보듯이 각 구속조건별 미끄럼 저항력은 정규분포를 따른다고 할 수 있다 (Pvalue>0.05). 뿐만 아니라 Quantile- Quantile plots에서도 확인 가능하다(Fig. 5).
Table 1.
The results of Shapiro-Wilk normality test for constraint conditions.
| Constraint conditions | rafter fixed-fixed end | rafter fixed-roller end | rafter free-fixed end | rafter free-roller end |
|---|---|---|---|---|
| *P-value | 0.48 | 0.73 | 0.20 | 0.66 |
Fig. 6는 각 구속조건별로 미끄럼 저항력의 분포를 확인할 수 있는 히스토그램을 나타낸 것이고, Table 2는 내재해형 기준에 제시되어 있는 내재해형 죔쇠의 판별 기준값(1,390N)과 각 구속조건별로 평균을 비교한 것이다.
Table 2.
Comparisons between design value and the mean slip resistance force by constraint conditions.
서까래 고정-고정단의 미끄럼 저항력의 평균은 1,390N 보다 크게 나타났으며, 서까래 고정-롤러단과 서까래 자유-고정단 및 서까래 자유-롤러단은 기준값보다 작게 나타났다. 총 35개의 시험편 중 내재해형 죔쇠 판별 기준을 만족하는 비율이 서까래 고정-고정단>서까래 고정-롤러단>서까래 자유-고정단>서까래 자유-롤러 순으로 각각 74.3, 20.0, 2.9 및 0%이었다. 이 중 내재해형 기준을 만족하는 비율은 서까래 고정-고정단이 가장 높았으며, 서까래 자유-롤러단은 내재해형 기준을 초과하는 비율이 0%로 나타나 시험편 구속조건에 따라 큰 차이를 보이는 것을 확인 할 수 있었다.
각 구속조건이 죔쇠의 미끄럼 저항력의 평가에 영향을 미치는지를 알아보기 위해서 F-통계량을 이용한 일원분산분석(ANOVA)을 실시한 결과는 Table 3과 같다. 분석에서 귀무가설(null hypothesis)은 각 구속조건이 ‘죔쇠 미끄럼 저항력에 영향을 주지 않는다’이며 대립가설(alternative hypothesis)은 각 구속조건이 ‘죔쇠 미끄럼 저항력에 영향을 주는 관련인자로 볼 수 있다’이다.
Table 3.
ANOVA and post-hoc comparison result by constraint conditions.
시험편 구속조건에 따른 미끄럼 저항력의 차이를 분석한 결과 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p=0.000<0.05). 서까래 고정-고정단의 미끄럼 저항력은 구속조건의 영향을 비교적 많이 받는 반면, 서까래 고정-롤러단, 서까래 자유-고정단 및 서까래 자유-롤러단의 경우는 그 영향을 받는 정도가 적은 것으로 나타났다.
각 구속조건 집단간 영향의 차이를 구체적으로 알아보기 위해 던컨의 사후검정을 실시한 결과, 구속조건의 영향은 서까래 고정-롤러단과 서까래 자유-고정단의 경우는 서로 차이가 없고, 서까래 고정-고정단은 구속조건에 따라 다른 모든 구속조건과 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 그리고 서까래 자유-롤러단은 서까래 고정-롤러단 및 서까래 자유-고정단과도 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다.
표준편차는 서까래 고정-고정단이 다른 모든 구속조건보다 큰 값을 나타냈고, 각 구속조건별로 측정값의 산포도 그래프(Fig. 7)에서도 상대적으로 서까래 고정-고정단이 산포도가 큰 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 Lee와 Shin (2014)이 보고한 것과 같이, 죔쇠의 상태와 볼트 고정으로 인한 편심이 응력 집중을 일으켜 미끄럼저항력의 차이를 발생시킨 것으로 생각된다.
Lee와 Shin (2014)의 연구에서 측정한 죔쇠의 미끄럼 저항력의 결과를 본 연구 결과와 비교하여 보았다. Lee와 Shin (2014)은 선형, 판형, 선판형 및 수지 4가지 죔쇠로 미끄럼 저항력의 평가를 하였다. 이 연구에서 설정한 시험편 구속방법은 서까래 한쪽을 고정하고 도리 양쪽은 자유단으로 둔 형태이다. 즉, 본 연구에서 실험한 서까래 고정-롤러단 방법이 이와 유사하다고 볼 수 있다. 본 실험과 동일한 크기의 강관을 사용한 판형죔쇠의 미끄럼 저항력이 1,241~1,858N으로, 이 값은 본 연구결과에서 설정한 서까래 고정-고정단과 서까래 고정-롤러단의 평균 미끄럼 저항력의 중간 정도의 값을 나타냈으며 서까래 자유-롤러단의 결과보다는 컸다. 따라서 명확한 내재해형 죔쇠 평가 방법이 규정되어 있지 않기 때문에 평가자마다 죔쇠의 미끄럼 저항력의 평가 시 구속조건이 다를 수 있다. 그리고 죔쇠의 미끄럼 저항력을 평가 할 때 결과 값이 크게 나오는 구속조건으로 평가될 가능성도 있어 본 연구 결과가 죔쇠의 미끄럼 저항력을 평가 할 때 유용한 자료가 될 것으로 판단된다.
